TGA Energietechnik

TGA Ausgabe 01-2008
Geothermie

Bohren nach verlässlichen ­Planungsdaten

Eine geothermische Wärmepumpenanlage erfordert die Gesamtbetrachtung von Geologie und Gebäude­technik, um Wärmequelle und Wärmepumpensystem zu einem energetisch sinnvollen und effizienten ­System zu vereinen. Für den TGA-Planer empfiehlt sich, bereits im frühen Planungsstadium die Zusammenarbeit mit einem erfahrenen Bohrunternehmen oder einem Fachplaner der Geothermie zu suchen, um zuverlässige technische Grundlagen und Daten für die Ausschreibung und die Ausführung einer geothermischen Wärmepumpenanlage zu erhalten. Geothermische Tatsachen und die Anforderungen der Gebäudetechnik müssen dazu in einem sauber gegliederten Planungsablauf aufeinander abgestimmt werden.

Abb. 1
Die Nutzung der oberflächennahen Geothermie zur Gebäudebeheizung erfordert Sorgfalt bei Planung und Ausführung. Sonst ist die angestrebte Energie- und Kosteneffizienz nicht zu erzielen. Das erfordert eine frühe und enge Zusammenarbeit zwischen Geologie- und Haustechnikplanung.

Von allen Arten der Wärmeerzeugung verzeichneten Wärmepumpensysteme in den vergangenen Monaten die größte Nachfragesteigerung. Der überwiegende Anteil (ca. 60 %) entfällt auf Wärmepumpen zur Nutzung der oberflächennahen Geothermie. Neben dem hohen Anteil kostenloser Umweltwärme an der Wärmebereitstellung bieten diese den zusätzlichen Vorteil, im Sommer eine Kühlung mit sehr geringem Energieeinsatz realisieren zu können. Erdgekoppelte Wärmepumpensysteme bieten sich deswegen besonders für Gewerbeobjekte und Industriegebäude mit Flächenheizsystemen oder Betonkernaktivierung an. Im Sommerbetrieb lässt sich mit der relativ niedrigen Temperatur im Wärmequellenkreislauf der Kühlbedarf oft direkt decken. Falls die natürliche Kühlenergie nicht ausreicht, können reversible Wärmepumpen im Sommer aber auch auf Kühlbetrieb umgestellt werden. Zur Kühlung des Gebäudes ist dann weder zusätzliche Kälteanlagentechnik noch ein separates Hydrauliknetz notwendig.

Die Hauptaufgabe eines Wärmepumpensystems aber ist die zuverlässige und energieeffi­ziente Versorgung eines Gebäudes mit Heizwärme. Hierzu stehen die Wärmequellen Erdreich oder Grundwasser zur Verfügung, die eine effektive Wärmeausbeute bei geringen Betriebskosten ermöglichen.

Die Wärmequelle Erdreich wird über Erdwärmesonden erschlossen. Über diese vertikal verlaufenden Wärmetauscher wird die geothermische Wärmeenergie aus Tiefen von bis zu 250 m gefördert. Bei kombinierter Nutzung für die Betriebsarten Heizen und Kühlen haben sich Bohrtiefen zwischen 80 und 140 m Tiefe bewährt. Erdwärmesonden bestehen in der Regel aus PE-Rohr in den Dimensionen DA 32 oder 40 und werden als Einfach-U- oder Doppel-U-Sonde ausgeführt.

Durch die höhere Quellentemperatur und die im Vergleich zu Erdsondenbohrungen geringeren Baukosten wird die Erschließung der Wärmequelle Grundwasser bevorzugt. Allerdings müssen die Standortbedingungen dafür geeignet und die Nutzung aus wasserrechtlicher Sicht möglich sein. Mit einer durchschnittlichen und annähernd konstanten Grundwassertemperatur zwischen 7 und 12 °C ist die Heizleistung der Wärmepumpe nur minimal von der Außentemperatur abhängig. Die Antriebsenergie ist damit auch bei niedrigen Außentemperaturen gering, weil der Temperaturhub nur vom Wärmeabgabesystem und nicht zusätzlich von der Wärmequelle bestimmt wird. Das Grundwasser wird über einen Förderbrunnen entnommen. Das abgekühlte Wasser gelangt über einen Schluckbrunnen wieder in das Grundwasservorkommen.

Die dauerhaft energieeffiziente Nutzung der im Erdreich gespeicherten Energie setzt genaue Kenntnisse über den geologischen Schichtenaufbau und die thermischen Eigenschaften des Untergrunds voraus. Planungs- und Ausführungsfehler gehen zu Lasten der Energieeffizienz und schlagen sich in einer schlechteren Jahresarbeitszahl nieder – oder in mangelnder Heiz- und Kühlleistung.

Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit

Als Grundlage für die Planung, Auslegung und Ausführung von Anlagen zur Nutzung der oberflächennahen Geothermie dient die VDI-Richtlinie 46401). Bevor kosten- und zeitaufwendige Analysen des Untergrunds angestellt werden, greift der Geothermie-Fachplaner im Rahmen einer Machbarkeitsuntersuchung zunächst auf vorhandene Daten und Informationen zurück. Diese geben Aufschluss darüber, welche Voraussetzungen am jeweiligen Standort für die Nutzung der Erdwärme gegeben sind. Zunächst werden dazu geologische Karten und Daten vergleichbarer Referenzbohrungen herangezogen, um erste Anhaltspunkte zu gewinnen. Falls für ein größeres Bauobjekt bereits eine Baugrunderkundung durchgeführt wurde, kann je nach Erkundungstiefe auch daraus abgeleitet werden, welches Nutzungspotenzial der Untergrund unter technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten bietet.

Der Planungsablauf für ein geothermisches Wärmepumpensystem teilt sich in die Entscheidungs- und die Engineeringphase. Bereits im frühen Planungsstadium kann eine enge Zusammenarbeit zwischen Geologie- und Haustechnikplanung davor bewahren, dass die Planungsarbeit von Annahmen geleitet wird, die sich im weiteren Verlauf als unzureichend erweisen.

Die Entscheidungsphase dient zunächst dazu, anhand aussagefähiger Daten Anhaltspunkte für die Wahl der geeigneten Wärmequelle (Erdreich oder Grundwasser) sowie für die Konzeption der Wärmepumpenanlage zu gewinnen. Daraus lässt sich bereits in dieser Phase ableiten, ob der Heizwärmebedarf durch monovalente Betriebsweise sinnvoll gedeckt werden kann, oder ob ein bivalentes Heizsystem oder die Kombination mit anderen regenerativen Energien in das Energiekon­zept aufgenommen werden kann/soll/muss.

Nicht jeder Untergrund ist geeignet

Lange bevor das Bohrgerät anrückt, gehört „der Blick ins Erdinnere“ zu den ersten und wichtigsten Planungsschritten für eine geothermische Wärmepumpenanlage. Die planungsrechtlichen Grundlagen ergeben sich aus dem Wasserhaushaltsgesetz (WHG) sowie den zugehörigen Ländergesetzen und Verwaltungsvorschriften. Erdwärme gilt nach dem Bundesberggesetz (BBergG) als bergfreier Bodenschatz. Jedoch sind Bohrungen, die mehr als 100 m in die Tiefe dringen, nach BBergG § 127 anzuzeigen.

Zudem spielen für die Prüfung, ob die Errichtung einer Erdsonde zulässig ist, wasserwirtschaftliche Kriterien eine entscheidende Rolle. Insbesondere in Wasser- oder Heilquellenschutzgebieten und in Einzugsgebieten von Grundwassernutzungen in Trinkwasserqualität sind Erdbohrungen kritisch zu bewerten. Mit Einschränkungen ist auch zu rechnen, wenn die Gefahr der Kontamination des Grundwassers besteht oder ein artesisch gespanntes Grundwasservorkommen vorliegt. Darunter ist eine Wasserführung zu verstehen, die im Bohrloch bis zur Erdoberfläche ansteigen würde. Derart komplexe Untergrundverhältnisse stellen Bohrunternehmen vor große Herausforderungen, die nur durch entsprechendes Know-how und die erforderliche Ausrüstung zu beherrschen sind.

Ist die Wärmequelle geeignet?

Das Ergebnis der Machbarkeitsstudie ist, die Energiequelle anhand der allgemeinen Untergrundsituation zu bewerten. Im nächsten Planungsschritt erfolgt die Auslegung der Energiequelle. Bei komplexen Projekten empfehlen Geothermie-Fachplaner, den Nachweis über die genauen geologischen und hydrogeologischen Verhältnisse durch eine Probebohrung zu gewinnen. Durch zusätzliche geophysikalische Messungen (z. B. Gamma-log oder Flowmeter) lassen sich die Erkenntnisse weiter vertiefen.

Um die geeignete Wärmequelle zu bestimmen, gilt es zunächst das thermische Potenzial von Untergrund bzw. Grundwasser durch Messung oder Probebohrung und Simulationsverfahren bzw. Pumpversuch zu definieren.

Wärmequelle Erdreich

Um die thermischen Untergrundeigenschaften ermitteln zu können, wird an einer ausgeführten Probebohrung mit ausgebauter Erdsonde ein Thermal Response Test durchgeführt. Der Test kann erfolgen, wenn die gesamte Hinterfüllung (Zementation) der Erdwärmesonde ausgehärtet ist, um reale Messergebnisse zu erhalten. Durch den Thermal Response Test werden die Parameter spezifische Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit des Gesteins, der thermische Bohrlochwiderstand und die ungestörten Erdreichtemperaturen er­mittelt.

Anhand der aufgezeichneten Daten kann unter Berücksichtigung der gebäudetechnischen Randbedingungen die Konfiguration des Erdsondenfelds durch eine thermische Simulation erfolgen. Die Auslegung der Erdsonden orientiert sich an den zu prognostizierenden Soletemperaturen. Hierzu gibt die VDI 4640 Grenztemperaturen in Abhängigkeit von den ungestörten Erdreichtemperaturen vor. Folglich erfordert die Dimensionierung eine interdisziplinäre Zusammenarbeit mit dem TGA-Planer, da die Heiz- und Kühllasten sowie der Heiz- und Kühlenergiebedarf im Jahresverlauf zugrunde gelegt werden müssen.

Durch eine durchdachte Abstimmung aller Komponenten lässt sich die Anlage weiter optimieren. Ein Beispiel hierfür ist die Verbesserung des Wärmeübergangs Fluid/Rohr durch eine turbulente Strömung in den Sondenrohren.

Wärmequelle Grundwasser

Wird die Nutzung von Grundwasser angestrebt, stehen Versorgungssicherheit und lange Nutzungsdauer im Vordergrund. Ob ein Wasser/Wasser-Wärmepumpensystem eingesetzt werden kann, wird durch eine Aufschlussbohrung ermittelt. Durch einen Langzeit-Pumpversuch wird die mögliche Entnahmemenge ermittelt. Dabei wird der Grundwasserspiegel in Abhängigkeit von Zeit und Förderrate gemessen. Anhand der Auswertung werden die hydraulischen Parameter, insbesondere die Durchlässigkeit berechnet, die als Basis für die weitere Planung der Brunnenanlage dienen. Zeigt sich das Grundwasservorkommen als ausreichend ergiebig, kann es als Wärmequelle genutzt werden. Die hergestellte Probebohrung kann dann als Entnahme- oder Schluckbrunnen genutzt werden.

Ein weiteres Kriterium ist die Wasserqualität. Anhand von Wasserproben und deren Analyse wird das Grundwasser hinsichtlich seiner technischen Verwendbarkeit beurteilt. Ein hoher Gehalt des Grundwassers an Eisen oder Mangan würde im Rohrsystem und im Wärmeübertrager zu Ablagerungen (Verockerung) führen, die nur durch den Einsatz aufwendiger Wasserbehandlungstechnik zu verhindern sind. Vorzeitige Alterungserscheinungen bei Brunnenanlagen sind meistens auf eine fehlerhafte Einschätzung der geologischen Verhältnisse sowie Mängel in der Ausführung zurückführen.

Bohrverfahren und Sondenausführung

Erdwärmesonden werden üblicherweise im so genannten Spülbohrverfahren oder als Imlochhammerbohrung hergestellt. Das gewählte Bohrverfahren richtet sich nach den geologischen Verhältnissen. Die Ausführung der Bohrung muss durch den Bohrbetrieb dokumentiert werden. Dabei ist die bei der Bohrung angetroffene Schichtenfolge sorgfältig aufzunehmen und zu dokumentieren, um daraus eine Darstellung über die geologische Gliederung des Bohrprofils zu erstellen. Besondere Sorgfalt erfordert die Verfüllung des Ringraums um die Erdsonde (Verpressung). Eine qualitativ hochwertige Verpressung

gewährleistet einen guten Wärmeübergang zwischen Erdwärmesonde und Erdreich,

schützt den Untergrund gegen das Eindringen wassergefährdender Stoffe und

schützt die einzelnen Grundwasserführungen vor hydraulischen Kurzschlüssen.

Für den Bau der Erdsonde werden im Regelfall Rohre aus PE 100 der Baureihe SDR 11 in den Dimensionen DA 32 oder 40 verwendet. In besonderen Einsatzbereichen, zum Beispiel bei hohen Soletemperaturen oder zu erwartenden Punktlasten sollte der Einsatz des Rohrwerkstoffs PE-Xa in Erwägung gezogen werden. Als Alternative ist eine Entwicklung des Spezialanbieters Geser Erdwärme verfügbar, die Erdwärmesonden aus modifizierten PE 100 RCplus-Werkstoffen fertigt. Diese Erdsonden sind an der Rohroberfläche mit einem spe­ziellen Schutzmantel versehen, der das druckbeaufschlagte Kernrohr vor äußeren Beschädigungen schützt.

Der Bohrdurchmesser variiert je nach gewähltem Bohrverfahren und Sondentyp von 121 mm bis 159 mm. Zu berücksichtigen ist dabei, dass der Bohrlochwiderstand mit zunehmendem Bohrdurchmesser steigt.

Als Verpressmaterial wird in der Regel eine Zement-Bentonit-Suspension eingesetzt. Den Bohrunternehmen stehen dazu sowohl Fertigprodukte zur Verfügung als auch die Möglichkeit, die Rezeptur auf der Baustelle herzustellen. Es wurden zwischenzeitlich auch thermisch verbesserte Verpressmaterialien entwickelt, deren Einsatz jedoch mit höheren Kosten verbunden ist, so dass Mehrkosten und Nutzen sorgfältig gegenübergestellt werden sollten. Neben dem gewählten Material ist die Verfahrensweise der Ringraumabdichtung entscheidend. Das Bohrloch muss von seiner Sohle her aufsteigend verfüllt werden. Die Verfüllung kann über Injektionsgestänge oder über Injektionsrohre erfolgen; Injektionsrohre können im Bohrloch verbleiben.

Die Ausführung von Erdsondenbohrungen erfordert qualifizierte, spezialisierte Unternehmen, die über die nötigen Erfahrungen sowie entsprechende Zertifizierungen verfügen. Nachweise für die technische Leistungsfähigkeit von Bohrunternehmen sind die Zertifizierung als Fachunternehmen nach DVGW W 120 sowie das Internationale Gütesiegel für Erdwärmesonden-Bohrunternehmen, mit dem sich das ausführende Unternehmen zur Einhaltung definierter Qualitätsstandards verpflichtet. Die geforderte Qualität ist beispielsweise dadurch definiert, dass durch die Herstellung und den Betrieb einer Erdwärmesonde keine Beeinflussung von Grundwasserfluss und Grundwassereigenschaften eintreten darf.

Auf der Seite der Gebäudetechnik-Installation ist sicherzustellen, dass von eingesetzten Glykolgemischen im Sondenkreislauf keine Gefährdung des Grundwassers ausgehen kann. Je nach Bundesland kann die Ausstattung der Erdsondenanlage mit einer Leckageüberwachung gefordert sein, die bei Druckabfall in der Sonde die Umwälzpumpe abschaltet, um den Austritt von Wärmeträgerflüssigkeit in den Untergrund zu verhindern. Hier ist auch der Anlagenbetreiber in der Verantwortung, regelmäßig die Dichtheit des Sondenkreislaufs zu kontrollieren.

Fazit

Die Planung einer geothermischen Wärmepumpenanlage erfordert über den gesamten Planungsablauf eine interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Geothermie-Fachplanung und TGA-Planer. Die jeweils individuell zu ermittelnden Ausgangssituationen zur Nutzung von Erdwärme verdeutlichen auch, dass diese Energietechnik in der Ausschreibung nicht allein über Materialpositionen und variable Massen erfasst werden kann.

Christoph Knepel

Dipl.-Ing. (FH), ist Geschäftsführer der EEM ErdEnergie Management GmbH.

1) VDI 4640 Thermische Nutzung des Untergrundes

Inhaltsübersicht

  1. Teil: Bohren nach verlässlichen ­Planungsdaten
  2. Teil: Erdwärmesonde mit Schutzfunktionen
  3. Teil: EEM
  • Der Sondenfuß mit den eingeschweißten Rohrenden wird für die Einbringung in das Bohrloch vorbereitet.
  • Erdwärmesonden werden als Doppel-U-Rohre ausgeführt. Die Sondenrohre werden vor der Einbringung mit dem ­Sondenfuß verschweißt und auf Dichtheit geprüft.
  • Bei größeren Objekten sind mehrere Erdsonden erforderlich, um für die Wärmepumpenanlage die erforderliche Wärmeentzugsleistung bereitstellen zu können. Die Volumenströme aus dem Sondenfeld werden über einen Sondenverteiler gesammelt und verteilt.
  • Qualifizierte Bohrunternehmen verfügen nicht nur über moderne Bohrtechnik, sondern unterstützen auch TGA-Planer bei der Planung zur Nutzung oberflächennaher Geothermie.
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